单级轴流压气机叶端区二次流动的研究

为揭示某单级压气机非设计转速下影响效率和稳定性的关键因素,采用实验和数值模拟相结合的方法,系统地研究了该压气机动、静叶通道内的二次流动随工况（即叶片负荷）的变化规律.对于转子,大流量工况叶端区的二次流主要以泄漏流/泄漏涡和轮毂角区分离为主,而到了峰值效率和近失速工况,整个叶高基元的过度扩压导致的叶片失速抑制了轮毂角区失速的发生.静叶叶尖端区的二次流动虽然具有三维性,但到了近失速工况它依然没有发展成为角区失速.静叶叶根的泄漏流动虽然对端壁附面层的低能流体向轮毂吸力面角区的汇聚起到了一定的抑制作用,但它对角区失速的控制效果却受到压气机不同流量工况的影响.近失速工况叶根泄漏流动抑制角区失速的能力不足是导致压气机效率下降的主要因素,而转子叶尖的二次流动造成的对整个叶尖通道的阻塞是限制压气机稳定性的关键因素.      

静叶轮毂间隙对高压压气机气动性能的影响

为了考察静叶轮毂间隙对压气机气动性能的影响以及揭示静叶轮毂间隙流动增强压气机稳定性的机理,以某型发动机高压压气机中两级为研究对象,运用三维粘性稳态数值模拟方法重点考察了静叶轮毂间隙附近的流动情况,从能量损失角度进一步分析了不同大小间隙导致压气机性能优劣的原因.研究结果证明,适当大小的间隙可以削弱静叶近轮毂处二次流和旋涡运动,改善当地流动状况,从而减少能量损失,提高压气机性能,特别是能增大喘振裕度.这些积极作用有利于压气机高效、稳定运行.     

双级对转压气机轴向间隙对性能的影响

设计了7组不同轴向间隙的对转压气机几何数据,应用数值模拟手段获取其性能和流场细微结构,研究了对转转子轴向间距对压气机性能、进气角以及流场结构的影响.结果表明:①在轴向间隙从30%C(C为转子叶片根部弦长)到70%C增加的过程中,对转压气机峰值效率降低2%左右,上、下游对转转子峰值效率也降低约4%;②设计转速下近失速点效率和流量先上升后降低,在55%C间距时达到最大值;堵塞点流量增加,效率降低约3%;③在堵塞工况下,随着轴向间隙的增加上、下游转子进口气流角减小;④当轴向间隙增大至50%C时,继续增大对上下游转子来流攻角影响不大;⑤如果掺混损失占主导地位,通过减小轴向间距可有效提高压气机性能,如果是二次流损失占主导地位通过增加轴向间距来提高压气机性能是可行的方法.      

跨声速轴流压气机近失速状态的间隙泄漏流流动特性

为了研究间隙泄漏流以及泄漏涡自身的非定常性对轴流压气机的旋转失速的影响.对跨声速轴流压气机NASA转子37进行全三维定常、非定常的数值模拟,对比了最大效率和近失速工况的实验和数值模拟结果,定常计算所获得的总性能与试验结果符合良好.对于非定常计算,详细分析了NASA转子37近失速工况下流场结果,揭示了NASA转子37在近失速工况点,间隙泄漏流存在较明显的非定常性,这种非定常性表现为间隙泄漏流激波干涉引起间隙泄漏涡的周期性破碎.      

轴流压气机转子近失速工况点叶尖区流动非定常性分析

为了揭示某轴流压气机转子近失速工况点叶尖区域流场的非定常变化及其形成机理,采用定常和非定常数值模拟方法对其内部流场进行了全三维的数值模拟。通过和已有的试验测量结果进行对比分析表明,预测的总性能及基元性能与试验结果取得了很好的一致性。近失速工况点的非定常模拟结果表明,压气机的总性能及叶片承受的扭矩出现了周期性的波动,其波动周期约为转子通过频率的2.5倍。进一步详细分析叶尖区流场的瞬态流动结构发现,间隙泄漏涡在近失速工况下出现了泡式破碎,破碎的泄漏涡、主流以及来自相邻叶片的间隙泄漏流相互作用形成了另外一个特征明显的旋涡(命名为叶尖二次涡)。该旋涡的形成、发展和运动是压气机的总性能出现周期性波动的主要原因。     

悬臂静子间隙影响的计算分析

悬臂静子在小型涡轮喷气和涡轴发动机的轴流压气机上广泛应用,为了探讨不同条件下悬臂静子间隙的影响,在特定的环境下,分别针对常规负荷和高负荷、小轮毂比和中等轮毂比,组合成几种不同方案,计算分析了静子根部径向间隙分别为弦长的0%、0.25%、0.5%、1%、1.5%和2%情况。计算结果表明:与叶栅中情况类似,在压气机中,悬臂静子同样存在一个特性上表现最优的最佳间隙;在根部未发生角区失速的大流量状态和设计状态,间隙的引入会使得特性恶化,在根部发生角区失速后的小流量状态,间隙的引入则能使得特性变优;间隙形成的泄漏流对角区分离的影响与间隙大小和角区分离程度相关;压气机设计状态负荷水平减小后,间隙的影响规律基本不变;轮毂比增大后,最佳间隙值有减小的趋势。     

端区流动对跨声速压气机失速影响的数值研究

为了揭示近失速工况下动叶间隙和静叶角区的复杂流动结构,探索诱发压气机失速的主要因素,对高负荷跨声速压气机开展数值研究,获得了整级压气机和单转子的特性曲线,进而对压气机的流场进行了详细分析。结果表明:对于研究对象,失速最先起始于静叶上角区。上角区完成由开式分离到闭式分离的转变过程,可以认为是静叶发生失速的标志。在近失速工况下,动叶叶尖泄漏涡发生"泡式破裂"堵塞流道,泄漏涡破裂引起的堵塞作用一直从叶顶延伸至70%叶高左右。     

桥式槽处理机匣的扩稳机理研究

利用数值模拟的手段对桥式槽处理机匣的失速机制和扩稳机理进行研究。通过与实壁机匣和全通槽处理机匣的对比分析结果表明:叶尖泄漏和叶片吸力面的分离均会引起叶尖通道堵塞,进而诱发失速。在实壁机匣情况下叶尖泄漏流堵塞叶尖通道是诱发失速的主要原因;全通槽和桥式槽处理机匣均能减弱叶尖泄漏流强度,但是全通槽处理机匣加剧了吸力面的分离,这造成了较大的效率损失;而桥式槽处理机匣能够通过改变抽吸区和喷气区的面积大小控制泄漏流和分离流引发的流道堵塞,从而在裕度提升和效率损失之间取得平衡。研究表明:喷气区面积越大,叶尖攻角越大,吸力面分离越强,压气机效率越低;抽吸区面积越大,泄漏流越弱,压气机的失速裕度越大。     

压气机静子通道内的流场测量

为了研究根部间隙对压气机静子通道内流场的影响,设计了4根不同长度的“L”型五孔探针和1根四孔探针.通过位移机构带动上述探针,在最大流量和近失速两种工况下,对某双级低速轴流压气机的第1级静子通道内5个不同轴向位置截面进行了流场测量.实验结果表明:静子通道内总压损失主要是由叶尖附近角区分离以及根部泄漏流与主流的相互掺混引起的.静子通道内主要存在着上/下通道涡、叶尖角涡和泄漏涡等旋涡结构.      

离心压气机近失速工况叶尖流场特征及泄漏涡面涡模型

为研究航空微型涡轮发动机离心压气机的失速机理,采用数值模拟的方法,对压气机在设计点和近失速点的流场特征进行了研究,并对叶尖泄漏涡进行了建模。结果表明:在近失速工况下,更多的来自轮毂处的低能流和二次流会汇入叶轮通道近壁面的低速区,使得叶尖的堵塞加重,泄漏涡轨迹的偏转及其卷吸作用可能是造成这种现象的原因。通过在压气机机匣外侧引入虚拟镜像涡的方法,应用机翼涡对的不稳定性理论和面涡模型对泄漏涡建立了模型。应用该模型对本文研究的离心压气机以及三个国内外具有典型代表性的压气机进行了预测,表明模型得到的频率同计算和实验结果具有较好的吻合性,对德国宇航院压气机的预测频率与其实际频率的误差仅为2.8%。总体而言,当间隙高度较大时,模型的预测更为准确。     

静子容腔泄漏对某压气机性能影响的数值研究

利用全三维数值模拟方法研究了压气机静子容腔泄漏流动对压气机性能以及流场的影响,研究表明静子容腔泄漏流动不仅导致压气机效率和压比降低,而且使得压气机提前失速,稳定裕度下降5.19%.详细流场分析显示静子容腔泄漏流动对上游叶片排流动影响较小,但对本级静子以及后面叶片排根部流场的影响明显,静子容腔泄漏流动还改变了压气机失速的原因:静子容腔泄漏流动导致第1级静子根部尾缘发生流动分离,使得第2级转子根部攻角过大,整个叶背发生流动分离,引起压气机提前失速.      

考虑静叶封严泄漏对压气机端区影响的三维叶片优化

鉴于静叶叶根封严蓖齿间隙的泄漏对压气机端区所产生的不利影响,取某带静叶封严结构的双级轴流压气机为研究对象,采用遗传算法对其进行了气动数值优化.优化自变量为所选双级轴流压气机的后面级静叶近轮毂区叶型的安装角和前缘角,优化目标为极大化该双级轴流压气机的等熵效率.优化后,双级轴流压气机设计点的等熵效率提高了约0.2个百分点.所优化的静叶近轮毂处呈现出了明显的端弯效果.双级轴流压气机性能改善的主要原因是,通过对后面级静叶根部叶型的调整,使其端区来流的攻角值落在了该叶型的最优设计攻角的附近.     

不同转速下跨声速轴流压气机内部流动失稳的机理

以跨声速轴流压气机转子NASA Rotor 67为研究对象,采用数值模拟方法,开展100%、80%及60%转速下跨声速轴流压气机内部流动失稳触发机制的机理研究。数值结果与实验数据的对比分析表明:在3个转速下,数值总性能曲线的变化趋势与实验数据符合一致。通过压气机内部流场的详细分析,得出其基本流动机理。在3个转速下,随着压气机节流,叶顶泄漏涡(TLV)的起始位置逐渐向叶片前缘移动,叶顶泄漏涡也逐渐向相邻叶片压力面偏转,相比近峰值效率点,近失速点时在100%、80%以及60%转速下叶顶泄漏涡的偏转角度分别为3°、6°和9°。在100%和80%转速下,叶顶泄漏涡与激波相互作用所导致的堵塞是触发压气机内部流动失稳的机制,并且在80%转速下,叶顶泄漏涡发生破碎;而在60%转速下,泄漏涡在相邻叶片出现的叶顶前缘溢流(LESF)是触发压气机内部流动失稳的主要机制,叶片吸力面尾缘出现的小尺度附面层气流分离(BLFS)不是主要机制。      

轴向间距对压气机通道堵塞及总性能的影响

为了研究转静子叶片排之间的轴向间距对压气机内部流动堵塞及气动性能的影响,选取某单级轴流压气机为研究对象,采用多通道非定常数值计算方法对其5种不同轴向间距下的内部流场进行了全三维数值模拟。结果表明:在每一种轴向间距下,当压气机节流至某一工况之后,压气机通道内的流动堵塞区主要集中在转子叶顶间隙区域和动叶吸力面尾缘附近以及静叶吸力面轮毂角区内;在同一流量下,随着轴向间距的减小,转子叶根吸力面尾缘处的流动堵塞区有所扩大,但转子叶顶间隙区域及静叶吸力面轮毂角区内的流动堵塞区体积却不断减小,压气机通道内回流区的总体积也随之减小,其结果是压气机的静压升能力和流动稳定性增强且效率增大。通过进一步研究发现:在同一流量下,当轴向间距减小时,转子叶顶间隙区域内的主流轴向动量增大且泄漏流的轴向动量减小,其结果是转子叶顶间隙区域内流动堵塞区的体积减小。     

InvesInvestigation of the Effects of Airfoil-probes on the Aerodynamic Performance of an Axial Compressor

In order to investigate the effects of the airfoil-probes on the aerodynamic performance of an axial compressor,a numerical simulation of 3D flow field is performed in a 1.5-stage axial compressor with airfoil-probes installed at the stator leading-edge(LE).The airfoil-probes have a negative influence on the compressor aerodynamic performance at all operating points.A streamwise vortex is induced by the airfoil-probe along both sides of the blade.At the mid-operating point,the vortex is notable along the pressure side and is relatively small along the suction side(SS).At the near-stall point,the vortex is slightly suppressed in the pressure surface(PS),but becomes remarkable in the suction side.A small local-separation is induced by the interactions between the vortex and the end-wall boundary layer in the corner region near the hub.That the positive pitch angle of the airfoil-probe at 6.5% span is about 15° plays an important role in the vortex evolution near the hub,which causes the fact that the airfoil-probe near the hub has the largest effects among the four airfoil-probes.In order to get a further understanding of the vortex evolution in the stator in the numerical simulation,a flow visualization experiment in a water tunnel is performed.The flow visualization results give a deep insight into the evolution of the vortex induced by the airfoil-probe.     

变轴向间隙下压气机近失速工况时弯曲静叶改善流场的实验研究(英文)

The outlet flow fields of a low-speed repeating-stage compressor with bowed stator stages are measured with five-hole probe under the near stall condition when the rotor/stator axial gap varies. The performances of the straight stator stages are investigated and compared to those of the bowed stator stages. The results show that using bowed stator stages could alleviate the flow separation at both upper and low corners of the suction surface and the endwalls, and decrease the losses along the flow passage as well as the outlet flow angle. As the rotor/stator axial gap decreases, although the diffusion capacity of the compressor increases obviously, the outlet flow field in the straight stator stages deteriorates quickly. By contrast, little changes occur in the bowed stator stages, indicating that as the rotor/stator axial gap decreases, improved performance is achieved in the bowed stator stages.     

轮毂处理扩稳的机理探讨

在单级轴流压气机上,用周向槽式处理机匣在静子内径处进行轮毂处理,与转子尖部机匣处理作类比。用小型5孔探针测试技术详细测量了在最佳工作状态和近失速边界状态下静子叶片排下游气流的三元流场,特别是其端部流场,发现对于转子叶尖失速型的级,在其静子轮毂处理也可以提高级的稳定裕度。并提出其扩稳机理与失速转移的关系,提出了周向诱导速度影响二次流的物理模型,进一步剖析了周向槽机匣处理的扩稳机理。     

单转子轴流压气机不同状态下进出口三维时均流场

用圆锥四孔高频压力探针测量了单转子轴流压气机不同流量状态下, 转子进出口三维时均流场。结果表明, 压气机转子进口流动沿周向呈现较强的周期性变化, 尤其在近失速状态, 叶片压力面侧总压和静压高, 吸力面侧总压和静压低, 而前缘附近轴向速度低、相对气流角大。